JPH0828874A

JPH0828874A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン

Info

Publication number: JPH0828874A
Application number: JP6167697A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Ito; 和行伊藤; Tadataka Murakami; 忠孝村上; Shigeyoshi Kobayashi; 成嘉小林; Shigeru Azuhata; 茂小豆畑; Yoshikazu Moritomo; 嘉一森友
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1994-07-20
Publication date: 1996-02-02
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JP3183053B2; US5660045A

Abstract

(57)【要約】【目的】広い燃料流量範囲で安定に燃焼できるガスター
ビン燃焼器を提供する。【構成】バーナ１に燃料ノズル３１と３２を設ける。燃
料流量の少ない運転時には、ノズル３１より供給される
燃料でリング状保炎器１１に拡散火炎を形成させる。次
いで、ノズル３２より燃料を供給する。該燃料は空気と
混合して保炎器１１に到達し、既に形成されている拡散
火炎に保持されて、低い燃空比の範囲から保炎器１１に
安定な予混合火炎を形成する。バーナ１からバーナ２に
火炎を伝播させる時にも、ノズル３１より供給される燃
料によってバーナ１の外周側の燃空比を局所的に大きく
する。【効果】広い燃料流量範囲で燃焼の安定性を向上でき、
隣接するバーナへの火炎伝幡も容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン燃焼器及
びガスタービンに係り、特に予混合燃焼と拡散燃焼とが
行えるガスタービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン燃焼器に用いられるバーナ
には、種々の構造のものが提案されている。例えば、特
開平1−137117 号では、予混合室の中心に拡散パイロッ
ト部として同心軸の燃料送給管と空気送給管を設けたも
のを提案している。米国特許4463568 号では、多種燃料
対応で、燃料と空気の混合気の供給管の出口にじゃま板
を配置し、その外周に空気供給管を配置して気流が外周
方向に広がるようにしたものを提案している。特開昭59
−101551号では、燃料と空気の予混合室と拡散パイロッ
トバーナ用の空気供給管とを兼用にし、負荷に応じて該
予混合室に空気のみを流すようにしたものを提案してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンは、起動
から定格負荷まで、大きな負荷変化に対応して広範な出
力範囲で運転しなければならない。したがって、起動か
ら定格負荷まで、空気流量や燃料流量等の運転条件が大
幅に変化しても、安定に燃焼し、失火しないことがガス
タービン燃焼器の必須要件の一つである。

【０００４】一方、ガスタービン燃焼器から排出される
ＮＯｘの排出量を低減するために、ガスタービン燃焼器
ではＮＯｘの生成を抑制できる燃焼方法が強く求められ
ている。低ＮＯｘ化できる燃焼方法として、燃料と空気
を予め混合させてから燃焼させる予混合燃焼があり、近
年ますます強くなる低ＮＯｘ化の要求に対して、予混合
比率が大きくなってきている。しかし、一般に予混合燃
焼は、燃料と空気が混合しつつ燃焼する拡散燃焼に比べ
て安定燃焼範囲が狭く、失火しやすい。したがって、燃
焼の安定化を確保しつつ低ＮＯｘ化を図るために、拡散
燃焼と予混合燃焼とを巧みに組み合わせることが必要で
ある。

【０００５】本発明の目的は、拡散燃焼と予混合燃焼と
が行えるガスタービン燃焼器において、広範囲の空気流
量及び燃料流量の運転条件で安定に燃焼でき、失火しに
くく、かつ低ＮＯｘ化に寄与できるガスタービン燃焼器
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】ガスタービン燃焼器を安
定に燃焼させる最も確実な方法は、燃焼器内に燃焼が開
始する領域、即ち保炎領域を明確に形成することであ
る。本発明では、この保炎領域を形成する手段としてリ
ング状保炎器を用いることにし、リング状保炎器を備え
たガスタービン燃焼器の具体的な構造を提案する。

【０００７】本発明のガスタービン燃焼器は、燃焼室
と、該燃焼室内に導入された燃料及び燃焼用空気を予め
混合して予混合気にする予混合室と、該予混合室の出口
端に位置し下流に向かって末広がり形状を有し予混合気
を直進流から環状流に偏向してその間に渦を発生させる
リング状保炎器と、前記予混合室出口近傍の壁面に該予
混合室内に向けて燃料を吹き込む燃料吹き込み口とを具
備したことを特徴とする。

【０００８】かかるガスタービン燃焼器では、予混合室
に導入される燃料と燃焼用空気との予混合気によって予
混合燃焼が行われ、予混合室出口近傍の壁面から予混合
室内に吹き込まれる燃料と予混合室内を下流に流れる燃
焼用空気とによって拡散燃焼が行われる。予混合燃焼用
の空気と拡散燃焼用の空気とは兼用される。また、ガス
タービン負荷に応じて予混合燃焼と拡散燃焼との切り替
えが行われる。この切り替えは、予混合燃焼用の燃料の
供給路と拡散燃焼用燃料供給路とにそれぞれ流量調節バ
ルブを設け、そのバルブの開度をガスタービン負荷に応
じて調節することにより行うことができる。

【０００９】ガスタービン燃焼器はガスタービンの外周
に例えば１４個配置されている。燃焼器の予混合室に
は、タービンの回転軸に接続された空気圧縮機によって
加圧された空気が導入される。この空気は、まず燃焼室
の下流側に導入され、下流から上流へと流れて、その過
程で燃焼室を冷却したのち予混合室に導入される。

【００１０】従って、本発明のガスタービン燃焼器は、
燃焼室と、該燃焼室内に導入された燃料と燃焼用空気を
予め混合して予混合気にする少なくとも１つの予混合室
と、該予混合室に燃料を導入するための燃料ノズルと、
タービンに連結された圧縮機で加圧された空気を前記燃
焼室内の下流側から上流側に反対向きに流して該燃焼室
を冷却したのち前記予混合室に供給する燃焼用空気供給
手段と、前記予混合室の出口近傍の壁面に設けた燃料吹
き込み口と、該燃料吹き込み口に前記燃焼器の外部から
拡散燃焼用の燃料を供給するための燃料供給手段と、前
記予混合室の出口近傍で前記拡散燃焼用燃料吹き込み口
よりも下流に設置されたリング形状を有し該リングの断
面が下流側に向かって末広がり状に拡大している保炎器
と、前記予混合燃焼用燃料ノズルと前記拡散燃焼用燃料
供給手段に供給する燃料の流量をガスタービン負荷に応
じて制御するための燃料流量制御手段とを備えたことを
特徴とするガスタービン燃焼器である。

【００１１】本発明では、ガスタービンの起動，昇速、
あるいは低負荷運転時等の燃料流量が少ない時に、リン
グ状保炎器の外周側の流路に燃料を供給して局部的に燃
料濃度を大きくし、安定な拡散燃焼させることで失火を
防ぐ。燃料流量が多い運転条件の場合には、リング状保
炎器の上流側から燃料を供給して燃焼用空気と混合さ
せ、予混合気として保炎器の下流に形成される保炎領域
に流入させる。この場合、保炎器の外周側の流路に供給
する燃料流量，予混合気の燃料濃度，ノズル噴出流速等
で決まる失火条件にならないように燃料及び空気の流量
が設定されるから、燃焼の安定性を確保しつつ予混合燃
焼が可能となる。

【００１２】ここで、リング状保炎器の外周側の空気流
路には旋回器が設けられていることが望ましい。この旋
回器により、拡散火炎の燃料と空気の混合が促進される
ため、一酸化炭素や未燃分の排出を低減できる。

【００１３】旋回器を設ける場合には、リング状保炎器
を上流側の肉厚がほぼ均等で下流側端部の肉厚が末広が
り状に厚くなった円筒形状にして、円筒部分の外周側で
前記拡散燃焼用燃料吹き込み口よりも上流に旋回器を設
けるようにすることが望ましい。

【００１４】また、リング状保炎器の末広がり状をした
山の部分よりも外周側に、保炎器を貫通して流体を下流
側に通過させる噴出孔を設けることは望ましく、この場
合、噴出孔を通過する燃料あるいは予混合気は保炎器の
外周側の流路の流れに生じる強い乱れが整流されて通過
することになるため、噴出孔の出口から安定した火炎が
形成される。

【００１５】リング状保炎器の内周側に形成される火炎
の安定化の向上に対しては、リング状保炎器の内周側の
流路に、流路の一部を閉塞する手段を設ける。具体的に
は、予混合室のほぼ中央部に底部からリング状保炎器の
中空部を貫通するまで延び先端で径小になった棒状部材
を設ける。

【００１６】このほかに、リング状保炎器の末広がり状
を有する部分の内周面側壁面に流体の流れを乱すための
複数の突起部を設けたり、或いは先の棒状部材の一部好
ましくはリング状保炎器の末広がり状の部分に対向する
位置に複数の突起を設けることが望ましい。

【００１７】更に先の棒状部材には、その内部を通って
リング状保炎器の内周側に空気を噴出する空気流路を設
けることが望ましい。

【００１８】なお、保炎器に関する公知例としては、例
えば、Ｖ字状の保炎器（Ｖガッタ）に小翼を取り付けて
Ｖガッタ背後の伴流における混合を良好にするものがあ
り、特開昭57−115624 号に示されている。このほか
に、特開平1−210721号では略Ｖ字溝状の断面形状を有
する保炎器の取付け方法を提案し、米国特許3736746 号
では保炎器の配置箇所に関して提案している。

【００１９】

【作用】ガスタービン燃焼器においては、燃焼器内に供
給する燃料流量と圧縮機からの空気流量との重量比であ
る燃空比〔燃料流量（kg／sec)／空気流量（kg／sec)〕
が燃焼の安定性を支配する重要な因子である。

【００２０】失火には、燃空比が小さく、空気流速が大
きい時に火炎が吹き消える場合と、燃空比が大きく、火
炎の浮き上がり或いは燃焼振動によって火炎が吹き消え
る場合とがある。

【００２１】ガスタービン燃焼器では、冷却用等の空気
の流入があるので燃焼器全体での燃空比は、起動時のゼ
ロ付近から定格時の約０.０２８まで変化する。ただ
し、バーナ付近においては冷却空気の流入が少なく、ま
た運転条件によっては、燃焼していないバーナから空気
のみが燃焼器に供給される場合があるので、燃焼してい
るバーナの局部的な燃空比は最大で０.０５以上になる
と考えなければならない。本発明は、このような広い燃
空比範囲で保炎領域を明確に形成できるガスタービン燃
焼器構造を提供したものである。

【００２２】本発明では、保炎領域を形成する手段とし
てリング状保炎器を設けている。保炎器のリングの形状
は、下流に向かって末広がりになっていることが望まし
い。このリング状保炎器を予混合燃焼バーナの出口端に
設ける。これによりリング状保炎器の保炎領域側の端面
付近では、リング状保炎器の外周側と内周側とに実質的
に異なった流路が形成される。そして保炎器のリングの
後流側に渦ができ、燃焼ガスが循環する。

【００２３】ガスタービンの起動，昇速、あるいは低負
荷運転時等の燃料流量が少ない時には、予混合燃焼バー
ナを構成している予混合室の出口近傍の周壁に設けた燃
料吹き込み口から燃料を供給する。この燃料は、リング
状保炎器の外周側の流路に供給される。したがって、こ
の燃料吹き込み口から供給した燃料が予混合室を下流に
流れる空気と混合する度合は小さく、実質的に拡散火炎
が保炎器の外周側から形成される。また、バーナの一部
にのみ燃料を供給することで局部的に燃料濃度が大きく
なり、安定な拡散燃焼となる。

【００２４】ここで、拡散火炎が保炎器の外周側から形
成されることは重要である。その理由は、ガスタービン
燃焼器においては、バーナを複数個配置し、広範囲の燃
料流量変化に対応して、バーナ間で火炎伝播させるのが
一般的であるが、その場合燃空比の大きな火炎がバーナ
の外周側に形成される方が火炎伝播が容易だからであ
る。

【００２５】また、ガスタービン燃焼器においては、複
数個のバーナを用い、特定のバーナに火炎を安定に保持
する保炎の役割を持たせ、該バーナで他のバーナの燃焼
を補助する運用をする場合がある。この場合、後者の他
のバーナは、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる
予混合燃焼バーナにすると、予混合燃焼バーナの短所で
ある燃焼安定性に劣る問題をカバーしつつ、予混合燃焼
バーナの長所である低ＮＯｘ燃焼が達成できる。保炎器
の外周側に燃空比の大きな火炎を形成させると、該バー
ナに近接する他のバーナの火炎を保持し、安定な燃焼を
達成することができる。

【００２６】燃料流量が多い運転条件では、保炎器の上
流側から燃料を供給して燃焼用空気と混合させ、予混合
気として保炎器の下流に形成される保炎領域に流入させ
る。ここで、予混合用の燃料を供給する地点は、リング
状保炎器の外周側と内周側とに実質的に異なった流路が
形成される地点よりも上流側である。したがって、予混
合気の燃料濃度としては、リング状保炎器の外周側と内
周側で同じである。しかし、リング状保炎器の外周側の
流路には既に燃料が供給されており、保炎器下流の保炎
領域には拡散火炎が形成されているので、保炎器の外周
側に流入した予混合気は速やかに燃焼して高燃空比の火
炎となる。このため、該火炎によって該保炎器の内周側
に流入した予混合気も、予混合気を単独で燃焼させた場
合よりも低い燃空比で燃焼を開始する。ただし、前記保
炎器の外周側の流路に供給する燃料流量，予混合気の燃
料濃度，ノズル噴出流速等で決まる失火条件にならない
ように燃料及び空気の流量を設定するのが重要である。

【００２７】このように本発明では、燃料が予混合室の
出口端に位置するリング状保炎器の近傍の外周側とリン
グ状保炎器の上流側との２か所から供給され、いずれも
共通のリング状保炎器によって保炎される。また、燃焼
用空気も予混合室を流れる空気が共用される。これによ
り、以下に述べる効果がある。

【００２８】（１）リング状保炎器の外周側に燃料を供
給する場合には、保炎器の後流にできる循環流に沿って
拡散火炎が形成される。この時、燃焼開始領域では燃空
比が大きく、火炎は安定に保持される。次いで、この拡
散火炎は、循環流の終了地点付近でリング状保炎器の内
周側を通過する空気と混合し、燃空比を低下させる。こ
の地点は、循環流による保炎領域の後流であるので、燃
空比の低下が火炎の安定性を阻害することはない。反対
に、燃空比の低下によって火炎温度が低下するので、Ｎ
Ｏｘの生成を抑制することができる。

【００２９】（２）リング状保炎器の外周側に燃料を供
給して安定な拡散火炎を形成し、次いで、保炎器の上流
側から予混合気を供給する場合には、予混合気は前記拡
散火炎による高温雰囲気中に導入されるので、希薄な濃
度であっても未燃分や一酸化炭素の排出を抑制すること
ができる。また、ガスタービン負荷の上昇に伴って予混
合気の燃空比を上昇させる過程で、リング状保炎器の外
周側に供給する燃料を減少させると、局部的な拡散燃焼
による高温領域を連続的に低減できるので、広い負荷範
囲で安定した低ＮＯｘ燃焼が可能となる。

【００３０】上記の効果は、リング状保炎器を共有する
ことで、保炎領域が確保され、拡散燃焼と予混合燃焼に
対する供給燃料を連続的に変えることができるようにな
ったことによるものである。

【００３１】本発明では、リング状保炎器の外周側の流
路に旋回器を設けることが望ましい。保炎器の外周側の
流路に供給される燃料は、保炎領域側の端面付近が供給
位置であるため、該流路を流れる空気と混合してから燃
焼領域に到達するまでの距離が短く、実質的に拡散火炎
が保炎器の外周側から形成される。ここで、拡散火炎内
の燃料と燃焼空気との混合が不十分であると、未燃分が
排出されやすい。そこで、旋回器を設けることにより燃
料と空気との混合を促進させ、不完全燃焼による一酸化
炭素や未燃炭化水素等の発生を低減させる。旋回器によ
る旋回強度は、燃料流量，圧力損失，燃焼の安定性等を
考慮して決定する。

【００３２】本発明では、リング状保炎器の外周側の流
路に燃料が供給されるので、当該部分では強い乱れが生
じる。これは、旋回器が配置されるとより顕著になる。
このため、場合によっては、強い乱れに影響されて燃焼
の安定性が阻害され、火炎が吹き消える恐れがある。火
炎の吹き消えを防止するために、リング状保炎器に噴出
孔を設けて、流体の一部が下流側に通過できるようにす
ることが望ましい。この噴出孔は、末広がり状をしたリ
ング状保炎器の末広がりの頂部よりも外周側に保炎器を
貫通するように設けることが望ましい。該噴出孔を通過
する過程で燃料及び空気の強い乱れが整流されるので、
保炎領域に安定な火炎が形成され、火炎に隣接してでき
る拡散火炎の乱れには余り影響されない。噴出孔の直径
を１〜５mmの範囲にすると、保炎器構造の強度を損なわ
ずに良好な作用効果が得られる。噴出孔は、必ずしも燃
焼器の中心軸と平行である必要はなく、中心軸と角度を
持って配置しても良い。

【００３３】リング状保炎器の内周側の流路に、流路の
一部を閉塞する手段を設けることも望ましい。これは、
リング状保炎器の内周側の流路面積が大きくなる場合
に、中心部と周辺部で流速の違いができ、火炎が不安定
となる恐れが生じるので、これを防止するものである。
したがって、望ましくは、該閉塞手段はリング状保炎器
の内周から等距離になるように中実棒あるいは中空棒と
する。また、中実棒あるいは中空棒の先端を鋭利にし
て、当該部分に火炎が付着するのを防止するのが望まし
い。

【００３４】リング状保炎器の内周側の壁面及び／ある
いは流路の一部を閉塞する手段の壁面に、複数の突起部
よりなる乱流促進体を配置することもまた望ましい。乱
流促進体を配置することにより、乱流促進体の後流に空
気あるいは予混合気の気流による小さな渦が形成され、
境界層が破壊される。その結果、熱伝達係数が増加し、
火炎に隣接して高温となる保炎器との伝熱が促進され
る。また、リング状保炎器の内周側の流路の一部を閉塞
する手段の火炎形成領域側との伝熱も促進される。通
常、空気あるいは予混合気の気流の温度は１００〜４０
０℃程度であり、一方、保炎器を構成する部材の最高温
度あるいはリング状保炎器の内周側の流路の一部を閉塞
する手段の構成部材の最高温度は５００〜８００℃にも
なる。両者の伝熱が促進されれば、空気あるいは予混合
気の気流の温度が上昇する。気流の温度が高いほど燃焼
の開始が容易となるから、より安定な燃焼が達成でき
る。また、前記部材の火炎形成領域側と気流との伝熱を
促進することは、該部材に高温部分が発生するのを防止
することにもなる。ここで、前記乱流促進体は、その後
流に形成される渦流と流れの微小な偏流により伝熱を促
進するものである。該乱流促進体の高さを１mm以上にす
ると、渦流及び偏流のスケールも大きくなり乱流促進体
の効果が阻害される。また、乱流促進体の高さを０.１m
m 以下にすると乱流発生の効果が発揮されない。したが
って、乱流促進体の高さを０.１mm 以上１mm以下とする
ことで該乱流促進体の伝熱性能を高水準に維持すること
が可能となる。

【００３５】リング状保炎器の内周側の流路の一部を閉
塞する手段に、空気をリング状保炎器の内周側の流路に
供給する手段を具備することもまた望ましいことであ
る。これは、リング状保炎器の内周辺から形成される火
炎が後流で互いに干渉し、燃焼が不安定になる場合の対
策手段である。この場合、前記閉塞手段はリング状保炎
器の内周から等距離になるように配置した中空棒とする
と良い。該中空棒に空気の噴出孔を設け、望ましくはリ
ング状保炎器の中心軸に沿って空気を噴射する。該噴射
空気流により、リング状保炎器の内周辺から形成される
火炎が後流で互いに干渉するのを防止できる。

【００３６】以上述べた構造のガスタービン燃焼器をガ
スタービン或いはガスタービン発電装置に組み込むこと
により、ガスタービン及びガスタービン発電装置の信頼
性が向上する。

【００３７】

【実施例】

〔実施例１〕本発明の一実施例を図１に示す。図１はガ
スタービン燃焼器の断面及び燃料の制御系を示してい
る。燃焼器は、本発明に基づくバーナ１が中心軸上に配
置され、その外周に同心円筒状のバーナ２が配置されて
いる。図２は、このバーナ構成を下流側から見た断面図
である。バーナ１，２には、タービンの回転軸に接続さ
れたコンプレッサーで圧縮された空気が供給される。こ
の空気は、燃焼室１０の下流側から上流側に矢印で示す
ように流れ、その過程で燃焼器を冷却する。バーナ１に
は、拡散燃焼用の燃料（Ａ）が燃料ノズル３１から、予
混合燃焼用の燃料（Ｂ）が燃料ノズル３２から、それぞ
れ供給される。バーナ２には、予混合燃焼用の燃料
（Ｃ）が燃料ノズル３３から供給される。燃料ノズル３
１，３２，３３の個数，配置は特に限定されない。ま
た、本実施例ではバーナ２の保炎もリング状の保炎器２
１で行われているが、これも特に限定されない。

【００３８】図３は、図１のバーナ１の一部分の断面を
拡大して図示したものである。本実施例においては、図
４に示す断面形状のリング状保炎器１１が用いられる。
該保炎器１１は、火炎に接する部分、即ち保炎部４１の
断面形状が略三角形であり、これに円筒形状の支持部４
２が付いている構造になっている。保炎部４１の角度
α，βは、熱応力を含む強度と、該角度と保炎性能の関
係等から決められ、２０〜８０゜の範囲にするのが望ま
しい。また、角度α，βは互いに異なる値になっても差
し支えない。支持部４２は、図３において、予混合室５
０を流れる予混合気が流路５１及び５２に実質的に分離
するような長さにする。これにより、燃料ノズル３１か
ら噴射された燃料（Ａ）は流路５１にのみ供給され、流
路５２には洩れ込まない。

【００３９】図３において、燃料（Ａ）は燃料ヘッダー
３５に配置された燃料噴射孔３６から、流路５１に噴出
する。燃料噴射位置は、リング状保炎器１１の火炎形成
領域側の端面より５〜１００mmぐらい上流側にするのが
望ましい。このようにすることで、燃料噴出過程で燃料
は空気と一部混合するものの、実質的に安定な拡散燃焼
が達成できる。

【００４０】図５は、図３のバーナ構成に対し、流路５
１に旋回器１２を更に配置する。旋回器１２により、拡
散火炎中の燃料と空気の混合を促進させ、一酸化炭素や
未燃炭化水素の排出を抑制できる。旋回角度を大きくす
ると、該効果が顕著になるが、一方で拡散火炎の燃焼安
定性が阻害される。したがって、旋回角度は５０゜以下
にするのが望ましい。

【００４１】図６は、図５のバーナ構成に対し、リング
状保炎器１１の外周側に、流体噴出孔４３を加えてい
る。リング状保炎器１１の外周側の流路５１には燃料が
供給され、さらに旋回器１２も配置されるので、この部
分には強い乱れが生じる。しかし、流体噴出孔４３を通
過する燃料及び空気は強い乱れが整流されるので、リン
グ状保炎器１１の後流の保炎領域に安定な火炎を形成す
る。流体噴出孔４３の直径は望ましくは１〜５mmの範囲
にすると、リング状保炎器１１の強度を損なわずに乱れ
を整流できる。

【００４２】図７は、図６のバーナ構成に対し、中実棒
１３をリング状保炎器１１の中心軸上に更に配置したも
のである。中実棒１３によりリング状保炎器１１の内周
側の流路面積を小さくできるので、リング状保炎器１１
の保炎性能を損なわない流速とすることができる。ここ
で、中実棒１３の先端は鋭利になっており、当該部分に
火炎が付着するのを防止している。

【００４３】図８は、図７のバーナ構成に対し、リング
状保炎器１１の内周側の壁面及び中実棒１３の壁面に、
乱流促進体として複数個の突起部４５を更に設けたもの
である。突起部４５は、図９に示すような断面形状で、
高さＨを０.１mm 以上１mm以下とし、間隔ＬをＨの４〜
２０倍にしたものである。突起部４５は、流体の乱流を
促進させて、リング状保炎器１１及び中実棒１３と流路
５２内を流れる流体との伝熱を促進させるものであるか
ら、両者の温度差が大きい部分にのみ配置するのが望ま
しい。突起部４５による乱流促進の効果は、図９以外の
形状、例えば断面形状が台形でも三角形でも大差なく、
突起部４５の配置も含め、特に限定されない。

【００４４】図１０は、図７のバーナ構成に対し、中実
棒１３を中空棒１４に替え、中空棒１４には空気が流れ
るようにすると共に空気噴出孔１５を設けたものであ
る。空気噴出孔１５は、空気がリング状保炎器１１の中
心軸に沿って噴射するように配置される。したがって、
空気噴出孔１５から噴射された空気流がリング状保炎器
１１の中心軸上に形成され、リング状保炎器１１の内周
辺から形成される火炎が後流で互いに干渉するのを防止
することができる。

【００４５】以上で説明した個々の作用効果を総合した
ガスタービン燃焼器の運用の実施例について、以下に説
明する。

【００４６】燃料８０は、ガスタービンの負荷信号９４
に基づき、燃料流量制御装置９０により各バーナに供給
される燃料が分割される。つまり、燃料（Ａ）は、燃料
流量制御装置９０からの制御信号９２Ａによって、燃料
制御弁８２Ａの開度すなわち燃料流量が調節されてリン
グ状保炎器１１の外周側に配置した燃料ノズル３１に供
給される。同様に、燃料(Ｂ)は、燃料流量制御装置９０
からの制御信号９２Ｂによって、燃料制御弁８２Ｂの開
度が調節されて燃料ノズル３２に供給される。燃料
（Ｃ）は、制御信号９２Ｃによって、燃料制御弁８２Ｃ
の開度が調節されて燃料ノズル３３に供給される。

【００４７】次に燃料制御動作について説明する。

【００４８】図１４に示すように、起動時及び低負荷時
には、燃料（Ａ）のみを供給し、拡散燃焼を単独で行
う。予混合燃焼開始負荷に到達したとき、拡散燃焼用燃
料を減らし、その分だけ燃料（Ｂ）を供給して予混合燃
焼させる。ここで、燃料（Ｂ）の予混合燃焼火炎はリン
グ状保炎器１１で保炎されるが、リング状保炎器１１の
外周側にはすでに拡散燃焼火炎が形成されているので、
リング状保炎器１１の後流には高温の循環流ができてお
り、予混合気は循環流に沿って速やかに着火する。

【００４９】従って、予混合燃焼開始時点で燃料（Ａ）
から燃料（Ｂ）へ切り替える燃料の流量が少ない条件で
も、未燃分の発生を少なくすることができる。切り替え
燃料流量が少ないほど、燃料の切り替え時に発生する可
能性のある不安定な燃焼状態を容易に回避できるので、
ガスタービン燃焼器の信頼性を向上することができる。

【００５０】更に、負荷が高くなった時点で、燃料
（Ｂ）を減少させ、同量の燃料（Ｃ）を投入して全バー
ナを作動させる。この時、リング状保炎器１１の外周側
に燃空比の高い火炎が形成されているので、燃料（Ｃ）
は速やかに着火する。従って、前述の燃料（Ａ）から燃
料（Ｂ）へ切り替えと同様に、切り替え燃料流量を少な
くでき、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上することが
できる。

【００５１】全バーナが作動してから定格負荷に至るま
でには、燃料（Ｂ）と燃料（Ｃ）の予混合燃焼の燃空比
がほぼ同じか、燃料（Ｂ）の方の燃空比が小さくなるよ
うに燃料流量を制御し、かつ、燃料（Ａ）の流量を徐々
に減らして、定格負荷では全燃料流量の０〜５％になる
ようにする。このように制御すると、燃焼の安全性を確
保しつつ排出ＮＯｘを抑制することができる。

【００５２】ガスタービンの起動，昇速時には、バーナ
１に燃料（Ａ）を燃料ノズル３１から供給する。起動，
昇速時には空気流量，燃料流量が共に大きく変化し、し
たがって燃空比も変化するが、リング状保炎器１１に安
定な拡散火炎が形成されるので失火することはない。燃
料（Ｂ）は昇速の途中あるいは負荷運転時に燃料ノズル
３２から供給を開始する。燃料（Ｂ）はリング状保炎器
１１に到達するまでに燃焼用空気と混合する。一般に、
予混合気はある燃空比、例えばメタンが燃料の場合には
約０.０３以下になると安定な燃焼の継続が困難とな
る。しかし、本実施例の場合には、リング状保炎器１１
には既に拡散火炎が形成されているため、燃空比が約
０.０２以下でも安定な予混合火炎を形成させることが
できる。

【００５３】負荷が更に大きくなった段階で、燃料ノズ
ル３３より燃料（Ｃ）を供給してバーナ２に火炎伝播さ
せ、定格負荷に至る。バーナ２へ火炎伝播させる時に
は、燃料（Ａ）が供給されているとバーナ１の外周側の
燃空比が大きくなるので、火炎伝播が容易となる。火炎
伝播をスム−ズに進行させるためには、バーナ１側の燃
空比を０.０３５以上、より好ましくは０.０４以上に
するのが望ましいが、本実施例においては、燃料（Ａ）
の供給により、局部的に容易にこの条件を達成できる。

【００５４】以上の操作における燃料（Ａ),（Ｂ),
（Ｃ）の流量は、負荷条件と各バーナにおける燃空比等
を考慮して綿密に計画される。燃料（Ａ）は、バーナ２
への火炎伝播が終了した段階で供給を停止しても良い。
前述のように、燃料（Ａ）は拡散火炎であるから、この
部分の燃焼を停止すると排出ＮＯｘを低減できる。一
方、燃料（Ａ）を全運用範囲で供給すると、安定な拡散
火炎が常に存在することになるので、万一の失火を防止
できる。

【００５５】本実施例によれば、燃料流量及び燃空比の
広い範囲で、バーナの燃焼安定性が達成でき、また隣接
するバーナへの火炎伝播が容易となる効果がある。

【００５６】本実施例によるガスタービン燃焼器を、図
１５に示すようにガスタービン燃焼器１００内で発生し
た燃焼気体により駆動されるガスタービン３００及び該
ガスタービンの回転軸に接続された空気圧縮機２００等
と周知の方法で組み合わせると、失火の恐れのない信頼
性に優れたガスタービンが構成される。

【００５７】また、ガスタービン発電装置に組み込むこ
とにより、発電プラントの信頼性を高めることができ
る。なお、符号４００は発電機を示している。

【００５８】〔実施例２〕本発明による他の実施例を図
１１に示す。図１２は図１１の実施例によるバーナ構成
を燃焼器の下流側から見た図である。実施例１と異なる
のは、燃料ノズル３４から噴射した燃料と空気とを予め
混合させてから燃焼させる予混合バーナ３をバーナ１の
周囲に８個配置したことである。ここで、予混合バーナ
の個数は特には限定されず、また、燃焼を安定に行わせ
るためにバーナ３に旋回器６０によって旋回流を与える
のも有効である。本実施例では、実施例１で説明したバ
ーナ１の作用効果により、バーナ１の火炎を８本の予混
合バーナ３に容易に伝播することができる。

【００５９】この構造のガスタービン燃焼器において
も、燃焼を安定に行わせることができる。

【００６０】〔実施例３〕本発明による他の実施例を図
１３に示す。図１３は、本実施例によるバーナ構成を燃
焼器の下流側から見た図である。本実施例においては、
実施例１で説明したバーナ１をバーナ１−ａ，１−ｂ，
１−ｃ，１−ｄ，１−ｅと５個配置した例を示してい
る。ただし、バーナ１の個数については特に限定されな
い。実施例１で説明したように、バーナ１は広い燃空比
範囲で安定燃焼できるバーナであり、また、バーナ１の
外周側の燃空比を局部的に大きくできる。したがって、
例えば、バーナ１−ａからバーナ１−ｂへ火炎を伝播さ
せる場合、当該バーナの外周側の燃空比を局部的に大き
くすることで、バーナ全体としては低い燃空比で火炎を
伝播させることができる。

【００６１】本実施例によれば、燃焼器全体として更に
広い燃空比範囲で燃焼の安定性を向上できる効果があ
る。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、バーナの燃焼火炎を保
持する保炎領域を広い燃空比範囲で安定に確保すること
ができると同時に、隣接するバーナへの火炎伝播と燃焼
の安定性をも向上できる効果がある。

【００６３】そして、本発明のガスタービン燃焼器を組
み込むことによって、燃焼の安定性に優れたガスタービ
ン機関，ガスタービン発電プラントが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器の
断面図。

【図２】図１のバーナ構成を燃焼器の下流側から見た断
面図。

【図３】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図４】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図５】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図６】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図７】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図８】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図９】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図１０】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説
明図。

【図１１】本発明の第２の実施例によるガスタービン燃
焼器の断面図。

【図１２】図２のバーナ構成を燃焼器の下流側から見た
図。

【図１３】本発明の第３の実施例によるガスタービン燃
焼器のバーナ構成を燃焼器の下流側から見た図。

【図１４】ガスタービン負荷と各バーナに供給する燃料
流量との関係を示すグラフ。

【図１５】ガスタービン発電装置の概略構成図。

【符号の説明】

１，２，３…バーナ、１０…燃焼室、１１…リング状保
炎器、１２，６０…旋回器、１３…中実棒、１４…中空
棒、１５…空気噴出孔、２１…リング状保炎器、３１，
３２，３３，３４…燃料ノズル、３５…燃料ヘッダー、
３６…燃料噴出孔、４１…保炎部、４２…支持部、４３
…流体噴出孔、４５…突起部、５０…予混合室、５１…
外周側流路、５２…内周側流路、９０…燃料流量制御装
置、９４…ガスタービン負荷信号。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ２３Ｒ 3/16 3/18 3/30 3/34 3/46 (72)発明者小豆畑茂茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者森友嘉一茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室と、該燃焼室内に導入された燃料及
び燃焼用空気を予め混合して予混合気にする予混合室
と、該予混合室の出口端に位置し下流に向かって末広が
り形状を有し予混合気を直進流から環状流に偏向してそ
の間に渦を発生させる保炎器とを備えたガスタービン燃
焼器において、前記保炎器をリング形状にするとともに前記予混合室出
口近傍の壁面に該予混合室内に向けて燃料を吹き込む燃
料吹き込み口を設けたことを特徴とするガスタービン燃
焼器。
【請求項２】燃焼室内に予混合火炎を形成する予混合燃
焼バーナと拡散火炎を形成する拡散燃焼バーナとを備
え、該予混合燃焼バーナに供給する燃料流量と該拡散燃
焼バーナに供給する燃料流量とをガスタービン負荷に応
じて制御するようにした型式のガスタービン燃焼器にお
いて、前記予混合燃焼バーナの出口近傍にバーナ内部に向けて
外側から燃料を吹き込む拡散燃焼用燃料吹き込み手段を
設けて拡散燃焼用の空気と予混合燃焼用の空気とを共用
にし、これによって前記拡散燃焼用バーナを構成し、前
記予混合燃焼バーナの出口端で前記拡散燃焼用燃料吹き
込み手段よりも下流にリング形状を有し該リングの断面
が下流側に向かって末広がり形状をした保炎器を備えた
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】燃焼室と、該燃焼室内に導入された燃料と
燃焼用空気を予め混合して予混合気にする少なくとも１
つの予混合室と、該予混合室に燃料を導入するための燃
料ノズルと、タービンに連結された圧縮機で加圧された
空気を前記燃焼室内の下流側から上流側に反対向きに流
して該燃焼室を冷却したのち前記予混合室に供給する燃
焼用空気供給手段と、前記予混合室の出口近傍の壁面に
設けた燃料吹き込み口と、該燃料吹き込み口に前記燃焼
器の外部から拡散燃焼用の燃料を供給するための燃料供
給手段と、前記予混合室の出口近傍で前記拡散燃焼用燃
料吹き込み口よりも下流に設置されたリング形状を有し
該リングの断面が下流側に向かって末広がり状に拡大し
ている保炎器と、前記予混合燃焼用燃料ノズルと前記拡
散燃焼用燃料供給手段に供給する燃料の流量をガスター
ビン負荷に応じて制御するための燃料流量制御手段とを
備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】請求項１又は３において、前記リング状保
炎器として上流側の肉厚がほぼ均等で下流側端部の肉厚
が末広がり状に厚くなった円筒形状の保炎器を備え、該
保炎器の円筒部分の外周側で前記拡散燃焼用燃料吹き込
み口よりも上流に前記予混合室を流れる流体を旋回させ
る旋回器を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼
器。
【請求項５】請求項２において、前記リング状保炎器と
して上流側の肉厚がほぼ均等で下流側端部の肉厚が末広
がり状に厚くなった円筒形状の保炎器を備え、該保炎器
の円筒部分の外周側で前記拡散燃焼用燃料吹き込み手段
よりも上流に前記予混合バーナを流れる流体を旋回させ
る旋回器を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼
器。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれか１つにおい
て、前記末広がり形状をしたリング状保炎器の末広がり
の山の部分よりも外周側の位置に流体の一部を該保炎器
の下流側に通過させる噴出孔を備えたことを特徴とする
ガスタービン燃焼器。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれか１つにおい
て、前記予混合室のほぼ中央部に底部から前記リング状
保炎器の中空部を貫通するまで延び先端で径小になった
棒状部材を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼
器。
【請求項８】請求項１ないし６のいずれか１つにおい
て、前記リング状保炎器の末広がり状を有する部分の内
周面側壁面に流体の流れを乱すための複数の突起部を設
けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項９】請求項７において、前記棒状部材の先端部
近傍で前記リング状保炎器の末広がり部分に対向する部
分に流体の流れを乱すための複数の突起部を設けたこと
を特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項１０】請求項７又は９において、前記棒状部材
の内部を通り前記リング状保炎器の内周側に空気を供給
する手段を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼
器。
【請求項１１】請求項１〜３に記載の拡散燃焼用燃料吹
き込み口付き予混合室又は予混合燃焼用バーナを前記燃
焼室内にほぼ等間隔に複数個配置したことを特徴とする
ガスタービン燃焼器。
【請求項１２】請求項１ないし３に記載の拡散燃焼用燃
料吹き込み口付き予混合室又は予混合燃焼用バーナを前
記燃焼室の中央部に備え、その周りに環状の流体旋回型
予混合燃焼専用バーナを備えたことを特徴とするガスタ
ービン燃焼器。
【請求項１３】請求項１ないし３に記載の拡散燃焼用燃
料吹き込み口付き予混合室又は予混合燃焼用バーナを前
記燃焼室の中央部に備え、その周りに複数個の流体旋回
型予混合燃焼専用バーナをほぼ等間隔に備えたことを特
徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項１４】請求項１１ないし１３に記載のガスター
ビン燃焼器を複数個備え、該ガスタービン燃焼器内で発
生した燃焼気体により駆動されるタービンと該タービン
の回転軸に接続された空気圧縮機とを備えたことを含む
ガスタービン。
【請求項１５】請求項１４に記載のガスタービンと該ガ
スタービンの駆動により発電を行う発電機とを備えたこ
とを特徴とするガスタービン発電装置。